智能船舶航行功能测试验证的方法体系

刘佳仑，杨帆，马枫，严新平*

1 武汉理工大学 智能交通系统研究中心，湖北 武汉 430063

2 国家水运安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430063

3 武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063

0 引 言

智能船舶是传统船舶工业与新兴科学技术的集成融合体。智能船舶从概念设计到实际运营需经过功能性和系统性的逐步测试及验证，以检验其各项功能的合理性、可靠性和完整性。因此，智能船舶功能测试与验证技术的研发及测试验证体系的构建，是保障智能船舶从理论走向现实的重要因素。而智能船舶航行功能是智能船舶最为重要的功能，智能船舶航行功能测试与验证方法体系应由虚拟仿真、模型测试、实船验证3 个部分组成。本文将以性能、能效、信息、智能4 大类功能为测试对象，通过初试、中试、终试3 个阶段对智能船舶软硬件系统进行全方位、多工况的测试验证，为智能船舶的设计、优化、制造、检验与运营提供技术支持与评价依据。

1 智能船舶航行功能测试验证现状

自2012 年起，国内外船舶领域的企业、高校、科研院所对货运船舶的智能化、自主化、无人化发展的关注度持续提高[1-2]。2018 年海上安全委员会（MSC）在第99 届会议上提出了海事自主水面船的概念与定义，明确了发展自主式货物运输船[3]。针对智能船舶技术研发与实践应用的需求，各国在智能船舶航行的测试验证方面积极开展研究，主要体现在测试场的建设方面，而在具体测试与验证技术方法和体系方面仍有欠缺，尚未形成系统化的测试规程与标准。与其他智能/无人系统（如智能网联汽车）的测试验证方法研究相比[4-6]，存在明显的滞后。

挪威已于2016 年9 月、2017 年5 月和2018 年10 月 相 继 开 启Trondheimsfjorden，Storfjorden 和Horten 3 个测试场，主要由以康斯伯格和挪威科技大学等挪威企业与高校为主开展有关建设工作，并得到了挪威海事等相关政府部门的支持。芬兰于2017 年设置了Jaakonmeri 测试场[7]。英国面向尺度在25 m 以内的无人船艇在本国沿海设置了多个测试区域。美国在大湖区面为尺度在10 m 以内的无人船艇设置了测试区。2018 年9 月，荷兰在管辖的主要航道内也设置了测试场。2018年5 月，比利时在内河主要航段启用了智能船舶测试区。基于本国测试场建设的经验，芬兰、挪威和韩国分别于第99 届和第100 届MSC 会议上提出了海事自主水面船测试相关提案[8-10]。

面向智能航运、智能船舶发展需求，比利时航道管理局在荷兰水运管理局的支持下，在比利时北部水网地区开放了测试场。自2018 年5 月18 日起，该测试区域面向公众开放，主要面向内河船舶开展测试。相关单位可以以莱茵河航行管委会制定的智能船舶等级为依据（图1），提出测试申请，在统一的规范标准下开展测试。目前，相关测试验证的标准及技术细节尚未对外公布。

图1 莱茵河航行管委会提出的内河船舶智能等级划分Fig. 1 Classification of intelligent inland vessels proposed by Central Commission for the Navigation of the Rhine

2018 年2 月，中国船级社（CCS）、武汉理工大学、珠海云洲智能科技有限公司在珠海市政府支持下，共同启动了珠海万山无人船海上测试场建设，并于2018 年11 月30 日投入运营，目前该测试场是由CCS 认证的全球最大、亚洲首个、中国唯一的智能船海上测试场，可面向军用、民用智能船（艇）开展自主感知、自主避障、远程控制、协同控制等自主船舶核心功能测试。

2017 年6 月，智慧航海研发基地项目签约仪式在青岛蓝谷管理局举行，基地将建设5 大板块：智慧航海技术装备研发中心、智慧航海技术装备综合试验场、智慧航海技术装备产业化中心、无人化运输船舶管控中心和“水运中心”卫星地面站[11]。2018 年5 月，中国智慧航运发展研讨会在青岛举行，由交通运输部水运科学院和智慧航海（青岛）科技有限公司共同建设的智能航运技术创新和综合实验基地在青岛正式启动。

2 智能船舶航行功能测试验证对象

2015 年12 月1 日，CCS 在中国国际海事会展期间正式发布了《智能船舶规范》。该规范综合考虑了当前智能船舶的应用现状和未来智能船舶的发展方向，介绍了智能船舶包括智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台6 大功能模块，并对每个模块进行了具体说明，其已于2016 年3 月1 日正式生效[12]。本文就智能航行功能展开论述。

智能船舶航行功能测试与验证涉及不同层级、不同领域软件和硬件的检验。国内外对于智能船舶的等级划分、功能定义尚存在一定分歧，本文将对测试对象进行总结，针对智能船舶航行功能将其归纳为性能、能效、信息、智能4 大主要类别，如图2 所示。4 类对象具有相互连接、逐层递进的关系。

图2 智能船舶航行功能测试对象分析Fig. 2 Analysis of functional testing object on navigation for intelligent ships

2.1 性 能

智能船舶是具备智能功能的船舶，应满足各类常规船舶的通用规范标准要求，符合狭义上船舶的静力性能和动力性能，包括浮性、稳性、抗沉性、快速性、操纵性、耐波性等。虽然经过多年发展，传统性能试验已形成较为完善的测试方法和操作规程，但在关键指标核准、特殊工况界定等方面仍有不足。特别是随着智能船舶技术的逐步发展，智能系统将逐步替代驾驶和引航人员，直接控制桨、舵等推进、转向系统，需对船舶在各种工况下的动力性能进行精确预报与实时核算，此类船舶应较常规船舶具有更优良的操纵性能，以适应智能系统的初期发展阶段，并增强其智能航行的安全性。因此，性能测试是智能船舶航行功能测试与验证的重要基础。

2.2 能 效

智能船舶技术的发展可促进船舶绿色航行的发展，能效是表征船舶节能减排、绿色环保的重要性能。能效包括船舶的能源消耗与效率管理2 个方面。前者与船舶快速性、耐波性等基础性能紧密相关，属于船舶固有属性，应在设计阶段予以优化；后者是在船舶自身能源消耗特征的基础上，结合外界风、浪、流、涌等环境影响下，通过船舶姿态调节、主机工况管理、航速调节[13-14]等手段，以最低能源消耗为目标的优化策略。能效测试是智能船舶经济效能与环保指标测试的重要指标。

2.3 信 息

信息是智能船舶航行功能实现的基础，智能航行过程包括信息的采集、分析、传输、存储等多个方面。各类船舶自身与外界环境数据的采集与监测是智能功能系统实现的输入，也是系统运行状态的监督。数据采集的可靠性、全面性、精确性和数据分析的快速性、准确性是能否实现预设功能的基础；信息传输的快速性、连续性、安全性是船舶远程/自主驾控的保障；数据存储的完整性、稳定性是功能完善与改进的依托。信息自身以及信息系统的赛博安全测试是船舶智能航行系统正常运行与实现的重要保障。

2.4 智 能

智能是智能船舶区别于常规船舶的核心要素。智能能力水平体现在各个分系统、子功能中，综合呈现于船舶整体的自动化、智能化、自主化水平的提升，逐步利用“航行脑”智能航行系统辅助人、替代人的部分功能，最终构建自主船舶系统，在航行、避碰、离泊、靠泊、系泊全过程中由智能系统自主实现感知、认知、决策、操控等方面功能。其中尤以系统的类人理解与决策能力的形成最为关键，是系统最终成为“人”的突破要点，也是智能船舶航行功能测试与验证的核心对象。智能船舶航行功能测试与验证应围绕发展智能、测试智能、检验智能，结合传统方法与新兴技术形成完整的方法体系。

3 智能船舶航行功能测试验证体系

目前，智能船舶领域尚未形成完整的测试验证方法体系，具备完整功能的智能船舶也尚未推向市场，亟需构建完整的智能船舶航行功能测试验证方法体系，来支撑智能航行系统的研发与应用。但实尺度船舶在公开水域进行“智能/自主/远程/无人航行”功能调试或测试，效率低且成本高，甚至会给测试对象自身以及周边通航船舶带来较大的不可控风险。因此，需构建系统性的虚拟仿真、模型测试和实船验证的船舶智能航行系统测试体系，建设虚拟测试场、模型测试场、实船测试场，三者互通互融、取长补短，以虚拟指引实际，实现低风险、低成本、高可靠性、高复现性的智能船舶航行功能测试与验证目标。考虑到试验条件的精确控制、试验成本的低廉可行，可根据实际需要和所处研发阶段，在虚拟测试场、模型测试场、实船测试场进行分阶段测试。智能船舶航行功能测试验证方法体系构成如图3 所示。

图3 智能船舶航行功能测试验证方法体系构成Fig. 3 System of test and verification method on navigation function for intelligent ships

1） 虚拟仿真（虚拟测试场）：提供数字孪生虚拟仿真环境，作为智能系统的图灵机，用于验证人工智能程序的功能性、可靠性；

2） 模型测试（模型测试场）：提供开阔水域、模型样船、缩比场景等，使用人工智能程序控制被测模型船，测试其是否可以在人为制造的各种不良条件下实现航行、避障、靠泊、离泊等核心功能；

3） 实船测试（实船测试场）：提供管控水域内设置的受限水域、狭窄航道、进出航道等多种实际通航环境，并利用可控艇筏模拟其他在航船舶，用于模拟智能船舶可能遇到的各种工况，以检验智能航行系统的实船运行状态。

4 智能船舶航行功能测试验证内容

4.1 虚拟测试场

4.1.1 建设目的

虚拟测试场旨在低成本、高效率、零风险地对船舶智能航行控制算法及理论进行研发与测试。虚拟测试场既可以为智能船舶的相关技术研发提供平台，也可以大批量、快速地测试并比较不同航行场景、不同航行技术方案。简而言之，虚拟测试场是利用虚拟仿真方法，在研发及初试阶段对智能船舶的软件组成部分进行虚拟测试的场所。虚拟测试场可以通过在动态中执行被测软件进行的软件确认和验证活动，更逼真地模拟被测试软件运行的物理环境。

虚拟测试的目的是尽早发现产品设计、软件开发中的错误，缩短产品的研发周期，降低研发成本，提高研发效率。虚拟测试场构筑于数值计算云平台，基于实际航行条件及船舶参数，呈现虚拟智能船舶航行场景，用于测试智能船舶运动控制算法，以检测智能船舶具体功能的完备性与可靠性。同时，基于云平台的数值测试平台可由多数据平台访问，实时动态地对数值测试、模型测试、实船测试结果进行收集、查看、分析，实现多地同步数据传输与分析。

4.1.2 测试内容

虚拟测试场可对船舶机械运动性能进行仿真、预报，对智能航行功能模块进行理论测试、算法测试、协议测试，主要包括：

1） 船舶操纵性能预报；

2） 航行控制算法测试；

3） 自引自靠控制测试；

4） 智能避碰算法测试；

5） 应急响应切换测试；

6） 人机交互效果测试。

虚拟仿真是验证船舶智能航行算法及理论的基础平台。虚拟测试环境具有高可用、高可控、确定性、易于复制使用等特性，为进行智能船舶软件测试提供了理想的测试环境。因此，可以在虚拟场景下，利用虚拟测试场纵向研究、横向比较各运动控制算法的适用性、鲁棒性及精确性[15]。由于虚拟仿真无法完全重现真实场景的物理特性，所以虚拟测试环境不能完全替代后续模型与实船测试。真实物理环境内测试将在模型测试场和实船测试场中进行。

4.1.3 建设内容

虚拟测试场建设包括测试中心建造、计算平台组建、数据中心建设、测试软件开发4 个方面的内容。测试中心提供虚拟测试场地，计算平台提供虚拟测试计算能力，数据中心提供数据存储空间，测试软件提供目标功能和组件的平台。虚拟测试场可对船舶机械运动性能进行仿真、预报，对功能模块进行理论测试、算法测试、协议测试，主要包括船舶操纵性能预报、航行控制算法测试、自引自靠控制测试、智能避碰算法测试[16]、应急模式切换测试、人机交互通信测试等。

4.2 模型测试场

4.2.1 建设目的

模型测试是连接理论（算法）与实际（实船）的中间环节。通过模型测试，可降低实船试验风险及成本，在短时间内测试长周期内的多种复杂和极端环境，同时避免跨区域未入籍船舶航行问题、外国船舶驶往实船测试场的航行问题。模型测试可实际检验智能船舶控制算法在各种场景下的控制表现，同时测试结果可以对相应的理论和算法进行比较、修正和完善，是智能船舶航行功能从理论走向实践不可或缺的中间环节。

4.2.2 测试内容

模型测试可在近似真实环境下，对船舶的运动性能及算法控制效果进行半实物仿真，对智能船舶各功能模块及系统集成性能进行初步测试，简化实船测试内容及难度。模型测试内容主要包括：

1） 船舶动力性能验证；

2） 自主靠泊模型试验；

3） 自主离泊模型试验；

4） 自主航行模型试验；

5） 自主避碰模型试验。

4.2.3 建设内容

模型测试场建设内容包括模型加工厂、测试水池和测试水域。模型加工厂负责模型船舶制造、测试系统装配，以及配套部件的加工和维护，提供智能船舶模型试验对象；测试水池应具备人工制造和改变风、浪的速度及方向，并提供不同水深测试条件，尽可能模拟实测场地的状况，提供智能船舶模型试验场所。测试水域涵盖开阔水域与缩比障碍物。模型测试场是在虚拟测试的基础上，于产品中试阶段，利用风浪流试验水池和大比例船模，模拟风、浪、流作用下，对智能船舶航行运动控制算法的可靠性进行调试、校验与测试，以获取相关数据及检查场所的设计缺陷。通过模型测试，可降低实船试验风险及成本，在短时间内测试长周期内的多种复杂和极端环境。

4.3 实船测试场

4.3.1 建设目的

在虚拟测试和模型测试的基础上，进行实船验证、系统集成、功能测试。试验的算法和理论经过虚拟测试场和模型测试场的测试，可以查出其存在的问题并及时纠正。但试验成果必须要经过实船验证和实际功能测试，才能进行推广应用。实船测试场是智能船舶真实航行功能和性能的测试平台，能够检验智能船舶在现实航行中可能遇到的各种问题，只有在实船测试场中通过各项测试，才能获得智能船舶测试通过认证。

4.3.2 测试内容

实船测试场作为智能船舶航行功能检验的最终测试阶段，承担所有功能的实际检验，包括实船性能测试、自主循迹、自主避障、自主靠离泊、智能避障、应急制动、可靠性测试等。为保障试验船舶的测试安全，应根据目标测试船型，计算各类船只在旋回和停船操作时所需的通航空间，规划实船测试场所需水域。

4.3.3 建设内容

实体测试场的基本设施包括：通信基站、测试用浮码头、实船码头、应急救助拖轮、测试水域标注物或航标、模拟桥梁、模拟障碍物、模拟在行船舶、应急消防、救助拖轮、配套食宿、调试工作场所。除此之外，还应建立起完整的监控平台，并配备应急拖轮、消防艇等保障支持船舶，以保证测试场内船舶的安全，随着船舶尺度的增大，所需的配套设施，如码头尺度、应急拖轮功率等将随之增加，增加建设成本。同时，实船测试场应选择水域开阔、无浅点和礁石且远离通航主航道、边防区、渔业作业区、自然保护区等区域。

5 智能船舶航行功能虚实融合测试方法

虚拟仿真测试可以在低成本、高效率、零风险的前提下对智能船舶控制算法与航行理论进行研发与测试，单纯的虚拟仿真测试难以得到真实环境干扰下的测试结果，因此提出智能船舶航行功能虚实融合测试方法。虚实融合测试方法中的“实”指模型船/实船、实际航道环境及实际交通流信息；而“虚”指虚拟船舶、虚拟航道环境及虚拟航行场景。通过采用船舶操纵运动分析方法建模，在动态数据融合、采集、解析、验证的基础上，校验、提升虚拟船舶与真实场景下的船舶特性一致性。在此基础上，运用数字孪生技术与半实物仿真技术，把海事雷达、激光雷达、航行情报服务（AIS）、全球定位系统（GPS）、闭路电视（CCTV）等传感器设备采集的实际航行数据，电子航道图等真实地理信息，用数字化的手段进行同步、统一、融合，对真实世界进行镜像仿真，生成虚拟数字孪生世界。最后，将真实、动态的交通流信息导入虚拟航道中，构建弯曲航道、受限水域、开阔水域、连续桥区等航段，设计船舶的对遇、交叉、追越、避让和过桥等航行场景。在此基础上，将虚拟船交由智能航行算法控制，使其在真实世界投影的虚拟世界中，操控虚拟船舶，进行避障、靠泊、离泊等操纵，最终对智能航行能力水平进行评测。虚实融合测试方法克服了真实航道测试方法速度慢、效率低、成本高的缺点，解决了纯虚拟仿真测试还原度不够高的问题，实现了对船舶智能航行测试验证过程的简化，提高了工作效率，节省了人力与物力成本，具有较好的研究与应用前景。

6 结 语

随着智能船舶技术发展热潮的兴起，研究其相应的智能航行功能测试与验证技术是当下核心技术需求之一。目前，智能航行功能测试验证方法技术仍处于发展初期阶段，应结合传统船舶航行测试验证与检验手段，面向智能发展需求，构建相匹配的智能船舶航行功能测试与验证技术方法体系。本文在概述国内外智能船舶航行功能测试技术发展与测试场建设的基础上，提出虚拟测试、模型测试与实船测试三者融合的测试验证方法技术体系，形成以虚拟仿真为先导、模型测试为中试、实船测试为终试的测试流程，在保障测试验证安全性、可靠性、经济性的前提下，使智能船舶航行功能测试与验证可观测、可重复、可比较。相应建设的虚拟测试场、模型测试场与实船测试场应分别需要满足对智能船舶在通信导航、远程监控、智能测试、应急救援、人机交互等方面的不同功能和应用场景的需求。对虚拟测试场需要考虑其传输真实数据的通信稳定性和可靠性，对模型船测试场需要考虑模型加工厂、测试水池和测试水域的需求。实船测试场作为最终验证功能实现的环节，需要考虑包括通信基站、靠离泊码头、应急救助方式等因素。